Einzelne Lichtquanten extrahieren „Lichtschnaps“ aus der Photonen-Destille

Ein Lichtstrahl besteht aus einem Strom an Photonen. Mit einer neuen Methode lassen sich nun einzelne Photonen daraus extrahieren. Die von Quantenphysikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik entwickelte Technik könnte in Zukunft Einzelphotonen als Quantenbits für Quantencomputer bereitstellen. Welche Parallelen die Methode zur Schnapsbrennerei hat, lesen Sie im Folgenden.

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Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Garching – Forscher vom Max-Planck-Institut (MPI) für Quantenoptik in Garching haben eine Methode entwickelt, mit der sie einzelne Photonen aus einer Lichtquelle extrahieren können. Es erinnert an das Prinzip, das hinter dem Destillieren von Alkohol steckt – auch wenn die Apparatur in dem MPI-Labor völlig anders aussieht als die Gerätschaften beim Schnapsbrennen.

Wenn Spirituosen destilliert werden, steigt Alkoholgehalt relativ zum Wasseranteil. Das Garchinger Experiment erhöht den Anteil einzelner Photonen im Verhältnis zum Vakuum. Dies führt in die merkwürdige Welt der Quantenphysik. Ultimativ schwache Lichtquellen, die exakt ein Photon liefern können, spielen nämlich in der Quanteninformationstechnik eine zentrale Rolle. Ein einzelnes Photon kann als Quantenbit die elementare Quanteninformation transportieren, die für Quantennetzwerke, -verschlüsselung und -computer benötigt wird – so wie die heutige Digitaltechnik einzelne Bits als Informationsträger verarbeitet.

Die Würfelnatur der Quantenwelt

Der Bau von Einzelphotonenquellen ist allerdings eine Herausforderung, an der weltweit seit vielen Jahren geforscht wird. Das klingt verwunderlich, wo doch ein Griff zum Lichtschalter genügt, um einen Raum zu beleuchten. Allerdings entspricht dieses Licht aus einer Lampe einem Strom enorm vieler Photonen. Die Lampe einfach nur extrem abzudimmen, sodass schließlich nur noch einzelne Photonen aus ihr entschlüpfen können, funktioniert nicht. Denn da wird man mit der Würfelnatur der Quantenwelt konfrontiert: mal kommt gar nichts, dann kommen zwei oder drei Photonen auf einmal und so weiter. Es ist ein bisschen wie das Auströpfeln einer Destille, wo man auch nicht sicher vorhersagen kann, wann der Tropfen kommt – und wie groß er sein wird.

Reiner Lichtschnaps – ohne Vakuum gestreckt

Die Physiker aus Gerhard Rempes Abteilung am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hatten nun die Idee, nicht etwa eine weitere Ein-Photonen-Lichtquelle zu entwickeln. Stattdessen kann ihr Experiment aus dem Licht einer beliebigen, sehr schwachen Lichtquelle einzelne Photonen extrahieren – wie eine Destille – und dieses Ereignis zuverlässig melden. Genau genommen reduziert der Versuchsaufbau den Anteil des reinen Vakuums im Vergleich zum Ereignis, ein Photon zu erhalten. Zu den Eigenheiten der Quantenwelt gehört, dass das Vakuum selbst einen Quantenzustand darstellt. Will man sauber ein Photon präparieren, darf sozusagen kein Vakuum beigemischt sein.

Ein Rubidiumatom im Spiegelkabinett

In der neuen Forschungsarbeit von Rempes Team kommen zwei Herausforderungen zusammen. Die erste Herausforderung besteht darin, exakt ein Photon zu gewinnen, die zweite, es zuverlässig nachzuweisen. Beide Aufgaben löst ein einzelnes Rubidiumatom in einem Schritt. Dieses Atom befindet sich in einer Art Spiegelkabinett. Genauer gesagt ist es zwischen zwei fast perfekten Spiegeln gefangen, die einander gegenüberstehen. Der Abstand der Spiegel in diesem Resonator entspricht präzise dem Mehrfachen einer halben Lichtwellenlänge, in der das Atom ein eigenes Photon abstrahlen oder aufnehmen könnte. In diesem System kann das Atom wie ein Zeiger zwischen zwei Anzeigepositionen hin und her umklappen, was hier eine wichtige Rolle spielt.

„Dieses System des Atoms im Resonator können wir als Destille für das Photon verwenden“, sagt Severin Daiß, Doktorand am Institut und Erstautor der Publikation. Auf diese Kavität richten die Forscher extrem schwaches Laserlicht, aus dem sie ein Photon gewinnen wollen. Dort vollführt es etwas, das nur in der Quantenwelt funktioniert: Es verschränkt sich mit der Atom-Resonator-Anordnung, bildet also damit einen gemeinsamen Quantenzustand. Dieser verschränkte Zustand macht das System zur Destille: Mit einer Messung an dem Atom können die Physiker eine gerade oder eine ungerade Anzahl an Photonen aus dem eingestrahlten Licht extrahieren.

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Allerdings funktioniert das nicht wie ein Schalter, denn die Würfelnatur der Quantenwelt verhindert, dass auf Knopfdruck ein Photon durchkommt. „Entscheidend ist hier, dass wir das Atom nun als Zeiger benutzen können, der uns eine erfolgreiche Ein-Photon-Destillation meldet“, erklärt Daiß. Die Physiker lassen die Anordnung also Photonen erwürfeln, bekommen die Würfelzahl aber zuverlässig angezeigt.

Mehrere Photonendestillen für höhere Reinheit

In Verbindung mit ultraschwachem Licht kann der Modus „ungerade Photonenzahl“ nun Ereignisse mit einem Photon produzieren, weil mehr Photonen selten zur Verfügung stehen. Diese Destillation gelang bereits mit einer Reinheit von 66 Prozent, das heißt, dass der Vakuumanteil auf ein Drittel zurückgedrängt war. Im Vergleich mit Einzelphotonen-Lichtquellen ist das auf Anhieb ein ordentliches Ergebnis.

Diese Reinheit lässt sich mit besseren optischen Kavitäten in Zukunft noch erheblich steigern. Interessant ist auch, dass sich die photonendestillierenden Elemente hintereinanderschalten lassen, um so die Reinheit des durchgeschleusten Photons noch zu erhöhen. Auch die Qualität des Lichts anderer Einzelphotonenquellen lässt sich damit verbessern. Das ist dann so, als würde man aus einem vierzigprozentigen Wodka einen sechzig- oder höherprozentigen Wodka herstellen.

Originalpublikation: Severin Daiss, Stephan Welte, Bastian Hacker, Lin Li und Gerhard Rempe: Single-Photon Destillation via a Photonic Parity Measurement Using Cavity QED. Phys. Rev. Lett. 122, 133603 – Published 5 April 2019; DOI: 10.1103/PhysRevLett. 122. 133603

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